Relativdruckmessgerät

Abstract

 Es ist ein Relativdruckmeßgerät mit einer Referenzdruckzufuhr anzugeben, die ein hohes Maß an Sicherheit bietet und einfach herstellbar ist, mit einer Relativdruckmeßzelle (1), mit einem druckempfindlichen Element (3), an desen prozeß-zugewandten Seite im Betrieb ein zu messender Druck (p) anliegt, an dessen prozeß-abgewandten Seite im Betrieb ein Referenzdruck (p_R) anliegt, auf den der zu messende Druck (p) zu beziehen ist, einem Träger (5), auf dem die Relativdruckmeßzelle (1) angeordnet ist und der in ein Gehäuse (9) eingefaßt ist, einem Prozeßanschluß (15), der an einem prozeß-zugewandten Ende des Gehäuses (9) angeschlossen ist, einem Meßgerätgehäuse (17), das an einem prozeß-abgewandten Ende des Gehäuse (9) angeordnet ist, und einer Referenzdruckzufuhr, durch die hindurch im Betrieb der Referenzdruck (p_R) zu der prozeß-abgewandten Seite des druckempfindlichen Elements (3) geführt ist, die seitlich durch den Träger (5) und eine einzige Bohrung (29) durch das Gehäuse (9) hindurch vollständig aus dem Relativdruckmeßgerät heraus führt.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft ein Relativdruckmeßgerät. Mit einem Relativdruckmeßgerät wird ein zu messender Druck p bezogen auf einen Referenzdruck p_R erfaßt. Der so gemessene Druck wird als Relativdruck bezeichnet. Als Referenzdruck dient z.B. ein Atmosphärendruck, der in einer Umgebung eines Meßorts herrscht.

[0002] Relativdruckmeßgeräte werden in nahezu allen Industriezweigen zum Messen von Relativdrücken eingesetzt. Die gemessen Relativdruckwerte werden z.B. zum Steuern, Regeln und/oder Überwachen eines industriellen Herstellungs- und/oder Verarbeitungsprozesses eingesetzt.

[0003] Relativdruckmeßgeräte weisen eine in einem Gehäuse eingebaute Relativdruckmeßzelle auf. Die Relativdruckmeßzelle weist z.B. einen Grundkörper und ein darauf angeordnetes druckempfindliches Element, z.B. eine Membran, auf. Auf eine grundkörper-abgewandte Seite des druckempfindlichen Elements wirkt der zu messende Druck p entweder direkt oder übertragen durch einen Druckmittler ein. Auf eine grundkörper-zugewandte Seite des druckempfindlichen Elements wirkt der Referenzdruck p_R ein. Der Referenzdruck p_R wird dem druckempfindlichen Element über eine Referenzdruckzufuhr, in der Regel eine den Grundkörper durchdringende im Gehäuse mündende Bohrung, zugeführt.

[0004] Die Relativdruckmeßzelle ist üblicher Weise auf einem Träger angeordnet, durch den das Gehäuse in eine prozeß-zugewandte Hälfte und eine prozeß-abgewandte Hälfte unterteilt ist. Durch die prozeß-zugewandte Hälfte hindurch wird im Betrieb der zu messende Druck p zugeführt. In der prozeß-abgewandten Hälfte ist eine elektronische Schaltung zur Aufnahme, Auswertung und/oder Verarbeitung von von der Relativdruckmeßzelle generierten elektrischen Signalen angeordnet.

[0005] Der Träger bildet vorzugsweise eine druckfeste Trennung, die dazu dient, ein Austreten eines Mediums, dessen Druck gemessen werden soll zu verhindern.

[0006] Bei einer Relativdruckmeßzelle kann jedoch der Fall eintreten, daß das druckempfindliche Element zerstört wird. Dann besteht bei Relativdruckmeßgeräten bei denen die Referenzdruckzufuhr in der prozeß-abgewandten Gehäusehälfte mündet durch die Referenzdruckzufuhr eine Verbindung zwischen den beiden Gehäusehälften. Im schlimmsten Fall wird durch das Medium eine in der zweiten Gehäusehälfte befindliche Elektronik zerstört, bevor sie eine Fehlermeldung abgeben kann.

[0007] In der DE-690 15 367 T2 ist ein Referenzdruckmeßgerät beschrieben, das einen zylindrischen Träger aufweist, der in ein zylindrisches Gehäuse eingefaßt ist. Der Träger ist auf einen Prozeßanschluß aufgeschweißt, der in das Gehäuse eingeschraubt ist. Es ist eine Referenzdruckzufuhr vorgesehen, die seitlich aus dem Träger herausgeführt ist, und an einer gehäuse-zugewandten Seitenwand des Trägers mündet. Ein ringzylindrischer Hohlraum zwischen Gehäuse und Träger, in den die Referenzdruckzufuhr mündet ist einerseits durch das Gewinde des Prozeßanschlusses und andererseits durch eine zwischen dem Gehäuse und dem Träger in einer Nut des Trägers gehalterten Dichtung abgedichtet.

[0008] Tritt hier Medium durch die Referenzdruckzufuhr aus, so kann es nur schlecht durch das Gewinde nach außen abfließen. Entsprechend wird das Medium innigen Kontakt zu der Dichtung haben. Bei besonders aggressiven Medien, kann es sein, daß die Dichtung durch das Medium beschädigt wird und ihre Wirkung verliert. In diesem Fall kann wieder Medium in die prozeß-abgewandte Gehäusehälfte eindringen.

[0009] In der US-A 6,050,145 ist ein Relativdruckmeßgerät beschrieben, das dem in der DE-690 15 367 T2 beschriebenen Relativdruckmeßgerät sehr ähnlich ist. Der Träger ist hier auf einen Druckmittler aufgeschweißt, der in das Gehäuse eingeschraubt ist. Es ist eine Referenzdruckzufuhr vorgesehen, die im Träger ein Stück in prozeß-abgewandter Richtung verläuft, dann seitlich fortgeführt ist und schließlich in prozeß-zugewandter Richtung an der Relativdruckmeßzelle vorbei aus dem Träger herausgeführt ist. Außerhalb des Trägers ist die Referenzdruckzufuhr in dem Druckmittler fortgesetzt und mündet unterhalb des Gehäuses in prozeß-zugewandter Richtung. Tritt hier eine Zerstörung einer Trennmembran des Druckmittlers und der Membran der Druckmeßzelle ein, so wird das Medium aus dem Gehäuse herausgeleitet.

[0010] Diese Art der Referenzdruckzufuhr ist jedoch sehr aufwendig, da sie eine Vielzahl von Bohrungen durch den in der Regel metallischen Träger und den Druckmittler erfodert, um das Leitungssystem aufzubauen.

[0011] Es ist eine Aufgabe der Erfindung, ein Relativdruckmeßgerät mit einer Referenzdruckzufuhr anzugeben, die ein hohes Maß an Sicherheit bietet und einfach herstellbar ist.

[0012] Hierzu besteht die Erfindung in einem Relativdruckmeßgerät mit

• einer Relativdruckmeßzelle,

  -- mit einem druckempfindlichen Element,

  --- an dessen prozeß-zugewandten Seite im Betrieb ein zu messender Druck p anliegt,

  --- an dessen prozeß-abgewandten Seite im Betrieb ein Referenzdruck p_R anliegt, auf den der zu messende Druck p zu beziehen ist,

• einem Träger,

  -- auf dem die Relativdruckmeßzelle angeordnet ist und

  -- der in ein Gehäuse eingefaßt ist,

• einem Prozeßanschluß,

  -- der an einem prozeß-zugewandten Ende des Gehäuses angeschlossen ist,

• einem Meßgerätgehäuse,

  -- das an einem prozeß-abgewandten Ende des Gehäuses angeordnet ist, und

• einer Referenzdruckzufuhr, durch die hindurch im Betrieb der Referenzdruck p_R zu der prozeß-abgewandten Seite des druckempfindlichen Elements geführt ist,

  -- die seitlich durch den Träger und eine einzige Bohrung durch das Gehäuse hindurch vollständig aus dem Relativdruckmeßgerät heraus führt.

[0013] Gemäß einer Weiterbildung besteht der Träger aus Glas. Es ist ein elektromechanischer Wandler vorgesehen, der dazu dient eine druckabhängige Veränderung des druckempfindlichen Elements zu erfassen und in eine druckabhängige elektrische Größe umzuwandeln, die über Anschlußleitungen abnehmbar ist. Mit den Anschlußleitungen verbundene Kontaktstifte sind eingeglast und in eine prozeßabgewandte Hälfte des Gehäuse durchgeführt.

[0014] Gemäß einer Weiterbildung ist ein Adapter vorgesehen, der mit dem Gehäuse verbunden ist, und auf den das Meßgerätgehäuse montiert ist.

[0015] Gemäß einer Weiterbildung besteht der Träger aus einem Isolator und das druckempfindliche Element ist unmittelbar auf den Träger aufgebracht.

[0016] Gemäß einer Ausgestaltung ist in die Bohrung im Gehäuse ein Filter eingebracht, der dazu dient ein Eindringen von Flüssigkeit und/oder Feuchtigkeit zu verhindern.

[0017] Gemäß einer Ausgestaltung ist die Bohrung im Gehäuse mit einer Abdeckung versehen, die als Spritzwasserschutz dient.

[0018] Gemäß einer Ausgestaltung weist mindestens ein Leitungsabschnitt der Referenzdruckzufuhr einen geringen Durchmesser auf und dient als Flammendurchschlagsperre.

[0019] Die Erfindung und weitere Vorteile werden nun anhand der Figuren der Zeichnung, in denen zwei Ausführungsbeispiele dargestellt sind, näher erläutert; gleiche Elemente sind in den Figuren mit gleichen Bezugszeichen versehen.

Fig. 1

zeigt einen Schnitt durch einen erfindungsgemäßen Relativdrucksensor mit einer außerhalb des Gehäuses mündenden Referenzdruckzufuhr; und

Fig. 2

zeigt einen Schnitt durch einen erfindungsgemäßen Relativdrucksensor mit einer außerhalb des Gehäuses mündenden Referenzdruckzufuhr und einem Gehäuseadapter.

[0020] Fig. 1 zeigt einen Schnitt durch ein erfindungsgemäßes Relativdruckmeßgerät. Das Relativdruckmeßgerät weist eine Relativdruckmeßzelle 1 auf, die ein druckempfindliches Element 3 aufweist. Die Relativdruckmeßzelle 1 ist auf einem Träger 5 angeordnet.

[0021] Als Relativdruckmeßzelle 1 eignet sich z.B. ein Halbleiter-Sensor, z.B. ein Silizium-Chip mit eindotierten Widerstandselementen. Der Silizium-Chip ist hier als Membran ausgebildet und bildet das druckempfindliche Element 3. Er ist, wie in Fig. 1 dargestellt, auf einen Grundkörper 7 aufgebracht. Der Grundkörper 7 ist z.B. ein Substrat aus Glas oder ebenfalls aus Silizium.

[0022] An einer prozeß-zugewandten Seite des druckempfindlichen Elements 3 liegt im Betrieb ein zu messender Druck p an. An einer prozeß-abgewandten Seite liegt im Betrieb ein Relativdruck p_R an, auf den der zu messende Druck p zu beziehen ist. Eine druckabhängige Veränderung des druckempfindlichen Elements 3, hier eine Auslenkung der Membran, ist somit von einem auf sie einwirkenden Relativdruck p-p_R bestimmt.

[0023] Der Träger 5, auf dem die Relativdruckmeßzelle 1 angeordnet ist, ist in ein Gehäuse 9 eingefaßt. Der Träger 5 ist in dem dargestellten Ausführungsbeispiel scheibenförmig und das Gehäuse 9 ist zylindrisch. Der Träger 5 besteht vorzugsweise aus Glas. Es sind aber auch Träger aus Metall einsetzbar. Das Gehäuse 9 besteht vorzugsweise aus einem Metall, z.B. aus einem Stahl oder Edelstahl.

[0024] Der Träger 5 wird in ein Gehäuse 9 derart eingebaut, daß das Gehäuse 9 in eine erste prozeß-zugewandte und eine zweite prozeß-abgewandte Hälfte unterteilt ist. Der Träger 5 bildet vorzugsweise eine druckfeste Trennung zwischen den beiden Hälften.

[0025] An die prozeß-zugewandte erste Hälfte, in der sich das druckempfindliche Element 3 befindet, ist ein Druckmittler 11 angeschlossen, über den ein zu messender Druck p auf die Membran 3 übertragen wird. Der Druckmittler 11 weist eine Trennmembran 13 auf, an der im Betrieb der zu messende Druck p anliegt. Er ist mit einer möglichst inkompressiblen Flüssigkeit, z.B. einem Silikonöl, gefüllt, die einen auf eine äußere Trennmembran 13 einwirkenden zu messenden Druck p durch eine dünne Leitung hindurch auf das druckempfindliche Element 3 überträgt. Die Leitung weist vorzugsweise einen so geringen Durchmesser auf, daß die Leitung als Flammendurchschlagsperre wirkt.

[0026] Vor dem Druckmittler 11 ist ein Prozeßanschluß 15 vorgesehen, der an einem prozeß-zugewandten Ende des Gehäuses 9 angeschlossen ist. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Prozeßanschluß 15 ein im wesentlichen zylindrisches Bauteil, das auf das Gehäuse 9 aufgeschraubt ist und an dessen gehäuse-abgwandten Ende ein Außengewinde 10 angeformt ist, das dazu dient, den Drucksensor an einem Meßort, z.B. einer Öffnung in einer Behälterwand 12, zu befestigten.

[0027] Alternativ kann der Prozeßanschluß 15 zusammen mit der Trennmembran 13 und einem gegebenenfalls vorzusehenenden Membranbett in einem Arbeitsgang mit dem Gehäuse 9 durch Schweißung verbunden sein. Wird auf ein Membranbett verzichtet, so kann die Trennmembran 13 auch unmittelbar auf das Gehäuse 9 aufgeschweißt sein.

[0028] Der Prozeßanschluß 15 weist eine durchgehende zentrale axiale Bohrung auf, durch die im Betrieb ein Medium, dessen Druck gemessen werden soll zu der Trennmembran 13 des Druckmittlers 11 gelangt.

[0029] An einem dem Prozeßanschluß 15 gegenüberliegenden prozeß-abgewandten Ende des Gehäuse 9 ist ein Meßgerätgehäuse 17 angeordnet. Da das Gehäuse 9 durch den Träger 5 in zwei völlig getrennte Hälften unterteilt ist, kann das Meßgerätgehäuse 17 unmittelbar auf das Gehäuse 9 montiert werden. Das Gehäuse 9 weist endseitig ein Außengewinde 19 auf, auf das das Meßgerätgehäuse 17 aufgeschraubt ist, bis es an einem sich radial nach außen erstreckenden an das Gehäuse 9 angeformten Absatz 21 aufliegt. Zwischen dem Gehäuse 9 und dem Meßgerätgehäuse 17 ist eine Dichtung 23 vorgesehen, die auf dem Absatz 21 aufliegt.

[0030] In dem Meßgerätgehäuse 17 ist eine elektronische Schaltung 25 vorgehen. Diese dient z.B. zur Aufnahme und/oder Verarbeitung von von der Relativdruckmeßzelle 1 im Betrieb generierten elektrischen Meßgrößen.

[0031] Die Relativdruckmeßzelle 1 weist einen elektromechanischen Wandler auf, der dazu dient eine druckabhängige Veränderung des druckempfindlichen Elements 3, hier eine Auslenkung der Membran, zu erfassen und in eine druckabhängige elektrische Meßgröße umzuwandeln. Besteht das druckempfindliche Element 3 aus einer Membran aus einem Halbleiter, z.B. aus Silizium, so weist der elektromechanische Wandler vorzugsweise in die Membran eindotierte Widerstandselemente auf, deren elektrische Eigenschaften von auf sie einwirkenden mechanischen Einflüssen abhängen. Dabei können entweder einzelne Widerstände eingesetzt werden oder es können mehrere Widerstände z.B. zu einer Brückenschaltung zusammen gefaßt werden, bei der z.B. eine druckabhängige Brückenspannung auswertbar ist. Die elektrische Größe ist über Anschlußleitungen 26, z.B. Bonddrähte, abnehmbar. Die Anschlußleitungen 26 sind an durch den Träger 5 hindurch geführte Kontaktstifte 27 angeschlossen.

[0032] Bei einem metallischen Träger müssen hierzu z.B. Glasdurchführungen vorgesehen sein. Bei dem hier vorgesehenen Träger 5 aus Glas sind die Kontaktstifte 27 unmittelbar in den Träger 5 eingeglast und zu der prozeß-abgewandten Hälfte des Gehäuses 9 durchgeführt und dort an die elektronische Schaltung 25 angeschlossen.

[0033] Es ist eine Referenzdruckzufuhr vorgesehen, durch die hindurch im Betrieb der Referenzdruck p_R zu der prozeß-abgewandten Seite des druckempfindlichen Elements 3 geführt ist. Die Referenzdruckzufuhr führt von einer den Grundkörper 7 durchdringenden Bohrung ein Stück in prozeß-abgewandter Richtung in den Träger 5 hinein und dann seitlich durch den Träger 5 und eine einzige Bohrung 29 durch das Gehäuse 9 hindurch vollständig aus dem Relativdruckmeßgerät heraus.

[0034] Die den Grundkörper 7 durchdringende Bohrung weist ein erstes Ende auf, das in einer durch das druckempfindliche Element 3 und den Grundkörper 7 gebildeten Kammer mündet. Ein zweites Ende der Bohrung mündet am Träger 5.

[0035] Im Träger 5 verläuft eine Verbindung 31, durch die die Bohrung im Grundkörper 7 durch den Träger 5 hindurch nach außen fortgeführt ist. Bei einem Träger aus Metall ist die Verbindung 31 durch zwei gerade Bohrungen zu realisieren. Bei einem Träger 5 aus Glas kann die Verbindung 31 dagegen ein eingeglastes Röhrchen sein, oder es kann eine Ausnehmung im Glas vorgesehen sein. Eine solche Ausnehmung wird z.B. durch ein entsprechend geformtes Füllmaterial hergestellt, das nach einem Aushärten des Glases aus dem Träger 5 entfernt wird.

[0036] Anders als beim Stand der Technik ist die Verbindung 31 sehr einfach aufgebaut. Sie weist maximal zwei kleine gerade Bohrungen vorzugsweise aber nur eine Ausnehmung oder ein eingeglastes Röhrchen auf. Hierdurch ist die Relativdruckzufuhr sehr einfach und kostengünstig herstellbar.

[0037] Vorzugsweise ist in die Bohrung 29 im Gehäuse 9 ein Filter 33, z.B. aus Metall, Polytetraflourethylen (PTFE) oder einem hydrophilen Werkstoff eingebracht. Der Filter 33 dient dazu ein Eindringen von Flüssigkeit und/oder Feuchtigkeit zu verhindern.

[0038] Zusätzlich ist die Bohrung 29 im Gehäuse 9 mit einer an einer Außenwand des Gehäuses 9 befestigten, die Bohrung 29 überdeckenden Abdeckung 35 versehen, die als Spritzwasserschutz dient.

[0039] Die Referenzdruckzufuhr führt direkt aus dem Gehäuse 9 heraus. Selbst wenn nun die Trennmembran 13 und das druckempfindliche Element 3 durch einen Unfall zerstört werden dringt kein Medium in das Meßgerätgehäuse 17 ein. Die elektronische Schaltung 25 ist auch dann noch geschützt und kann eine Fehlermeldung oder einen Alarm abgeben. Hierdurch wird der Unfall schnell entdeckt und der Fehler kann behoben werden, bevor große Mengen an Medium austreten.

[0040] Vorzugsweise weist mindestens ein Leitungsabschnitt der Referenzdruckzufuhr, z.B. die Bohrung durch den Grundkörper 7 oder die Verbindung 31, einen geringen Durchmesser auf und dient hierdurch als Flammendurchschlagsperre.

[0041] Fig. 2 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Relativdruckmeßgeräts. Aufgrund der großen Übereinstimmung zu dem vorgehenden Ausführungsbeispiel werden nachfolgend lediglich die bestehenden Unterschiede näher erläutert.

[0042] Bei dem in Fig. 2 dargestellten Ausführungsbeispiel ist das Gehäuse 9 zylindrisch. Mit dem Gehäuse 9 ist ein Adapter 37, z.B. durch eine Schweißung 39, fest verbunden. Auf den Adapter 37 ist genau wie bei dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel das Meßgerätgehäuse montiert . Diese zweiteilige Ausbildung mit Gehäuse 9 und Adapter 37 bietet den Vorteil, daß verschiedene Adapter eingesetzt werden können und somit verschiedene Meßgerätgehäusetypen montiert werden können, ohne daß Änderungen an der die Relativdruckmeßzelle enthaltenden Einheit erforderlich sind.

[0043] Bei dem in Fig. 2 dargestellten Ausführungsbeispiel besteht der Träger 5 aus einem Isolator, z.B. aus Glas und das druckempfindliche Element 3 ist unmittelbar auf den Träger 5 aufgebracht. Der Grundkörper 7 kann immer dann entfallen, wenn der Träger 5 aus einem Isolator besteht. Diese Bauweise kann selbstverständlich auch in Verbindung mit dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel verwendet werden. Umgekehrt kann natürlich auch bei dem in Fig. 2 dargestellten Ausführungsbeispiel ein Grundkörper eingesetzt werden.

Ansprüche

1. Relativdruckmeßgerät mit

- einer Relativdruckmeßzelle (1),

-- mit einem druckempfindlichen Element (3),

--- an dessen prozeß-zugewandten Seite im Betrieb ein zu messender Druck (p) anliegt,

--- an dessen prozeß-abgewandten Seite im Betrieb ein Referenzdruck (p_R) anliegt, auf den der zu messende Druck (p) zu beziehen ist,

- einem Träger (5),

-- auf dem die Relativdruckmeßzelle (1) angeordnet ist und

-- der in ein Gehäuse (9) eingefaßt ist,

- einem Prozeßanschluß (15),

-- der an einem prozeß-zugewandten Ende des Gehäuses (9) angeschlossen ist,

- einem Meßgerätgehäuse (17),

-- das an einem prozeß-abgewandten Ende des Gehäuse (9) angeordnet ist, und

- einer Referenzdruckzufuhr, durch die hindurch im Betrieb der Referenzdruck (p_R) zu der prozeß-abgewandten Seite des druckempfindlichen Elements (3) geführt ist,

-- die seitlich durch den Träger (5) und eine einzige Bohrung (29) durch das Gehäuse (9) hindurch vollständig aus dem Relativdruckmeßgerät heraus führt.

2. Relativdruckmeßgerät nach Anspruch 1, bei dem

- der Träger (5) aus Glas besteht, und

-- ein elektromechanischer Wandler vorgesehen ist, der dazu dient eine druckabhängige Veränderung des druckabhängigen Elements (3) zu erfassen und in eine druckabhängige elektrische Größe umzuwandeln, die über Anschlußleitungen (26)) abnehmbar ist, und

- mit den Anschlußleitungen (26) verbundene Kontaktstifte (27) eingeglast und in eine prozeßabgewandte Hälfte des Gehäuses (9) durchgeführt sind.

2. Relativdruckmeßgerät nach Anspruch 1, bei dem

- ein Adapter (37) vorgesehen ist,

-- der mit dem Gehäuse (9) verbunden ist, und

-- auf den das Meßgerätgehäuse (17) montiert ist.

3. Relativdruckmeßgerät nach Anspruch 2, bei dem

- der Träger (5) aus einem Isolator besteht und

- das druckempfindliche Element (3) unmittelbar auf den Träger (5) aufgebracht ist.

4. Relativdruckmeßgerät nach Anspruch 1, bei dem in die Bohrung (29) im Gehäuse (9) ein Filter (33) eingebracht ist, der dazu dient ein Eindringen von Flüssigkeit und/oder Feuchtigkeit zu verhindern.

5. Relativdruckmeßgerät nach Anspruch 1, bei dem die Bohrung (29) im Gehäuse (9) mit einer Abdeckung (35) versehen ist, die als Spritzwasserschutz dient.

6. Relativdruckmeßgerät nach Anspruch 1, bei dem mindestens ein Leitungsabschnitt der Referenzdruckzufuhr einen geringen Durchmesser aufweist und als Flammendurchschlagsperre dient.

Zeichnung